1.2. Центральная часть компьютера

Процессор - основное арифметико-логическое (вычислительное и управляющее) устройство с внешней памятью, выполняющее программы, связанные с обработ­кой данных и управлением работой всех устройств компьютера. К основным ха­рактеристикам процессора относятся: разрядность, тактовая частота, тип кор­пуса (картриджа), технология изготовления ядра.

Например, 32-разрядный процессор Pentium IV обрабатывает данные с час­тотой 1,5 ГГц, использует сокет 432 (плоский штырьковой разъем) и изготавли­вается по 0.18-микронной технологии (минимально возможным размером пере­ключательного элемента). В 1999 г. фирмой Intel был разработан 64-разрядный процессор с технологией изготовления ядра 0.18 мкм, тактовой частотой сис­темной шины 266 МГц, трехуровневой организацией встроенного кэша и воз­можностью сопряжения 512 процессоров.

Оперативная память - устройство ввода/вывода и кратковременного хране­ния программ и данных, над которыми непосредственно выполняются опера­ции процессора. Оперативная память является энергозависимой (при выклю­чении питания информация теряется).

Важными характеристиками памяти являются тип (динамическая, странич­ная, синхронная, асинхронная), быстродействие (частота обращения к памяти при записи или считывании данных), информационная емкость (количество ячеек памяти, каждая из которых имеет определенное число разрядов).

Оперативная память состоит из модулей, представляющих собой печатные платы, на которых размещаются микросхемы памяти. Любой модуль устанав­ливается в специальный слот на системной плате.

Одновременно с появлением каждый раз новых чипов процессоров происхо­дило увеличение объема оперативной памяти и наращивание информации, хранимой в ней, причем для сохранения совместимости с прежними процессо­рами использовалась и старая информация оперативной памяти. Поэтому в оперативной памяти можно выделить три области (сформировавшиеся в процессе развития компьютерной техники): начальная, верхняя и расширен­ная память.

Упрощенная иллюстрация размещения информации и разделения адресного пространства процессора между оперативной памятью, памятью контроллера (адаптеров) и постоянной памятью показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема разделения адресного пространства памяти.

Первые 640 Кбайт оперативной памяти использовались программами диско­вой операционной системы (DOS). Диапазон памяти от 640 Кбайт до 1024 Кбайт (верхняя память) зарезервирован для обслуживания различных устройств ком­пьютера (аппаратурный уровень), а диапазон от 1024 Кбайт и выше (расширен­ная память) - для хранения программ операционной системы Windows, OS/2 или Unix. Пространство памяти от 0 Кбайт до 1024 Кбайт стало стандартным с целью обеспечения полной совместимости различных процессоров. Кратко поясним назначение участков памяти.

Векторы прерывания - стартовые адреса программ обработчиков преры­ваний.

BIOS (Basic Input/Output System) - базовая система в вода/вывода, являю­щаяся частью операционной системы, управляющая работой устройств компью­тера и взаимодействующая с прикладными программами.

Прикладные программы (приложения) - программы, предназначенные для работы под управлением операционной системы.

BIOS хранится в постоянной памяти, содержит набор процедур (пакет слу­жебных программ) и выполняет следующие функции; загрузку операционной системы, инициализацию, тестирование, конфигурирование устройств компь­ютера, обслуживание аппаратных и программных прерываний. Данные BIOS -это данные о типе компьютера, объеме памяти, версии операционной системы, имеющемся оборудовании (числе и типе видеоадаптеров, гибких дисков, прин­теров, игровых портов и т. д.).

Для модернизации BIOS стали использовать флэш-память (специальное ПЗУ с многократным перепрограммированием).

Флэш-память может быть перезаписана без участия программатора непос­редственно в компьютере. Она характеризуется энергонезависимостью, элект­рическим стиранием информации с большой скоростью (частично или полно­стью) и малым временем доступа.

Драйверы - программы специального формата, управляющие работой устройств компьютера (принтера, накопителями гибкого и жесткого дисков, клавиатурой, мышью и т. д.).

Резидентные программы - программы, остающиеся в оперативной памяти после их выполнения и предохраняющиеся операционной системой от возмож­ного их искажения другими программами, которые через прерывание получают к ним доступ. Например, резидентными являются программы сжатия инфор­мации диска, кэширования памяти, сетевых протоколов и т. д.

ROM-BIOS - базовая система ввода/вывода, которая постоянно содержится в памяти, доступной только для чтения.

Программы пользователей - программы, загружаемые в оперативную па­мять в данный момент для выполнения.

Видеопамять - область памяти, размещенная в видеоадаптере, использую­щая адресное пространство оперативной памяти для вывода на экран графи­ческой и текстовой информации.

Каждому типу видеоадаптера отводятся определенные адресные участки оперативной памяти (видеобуфера), например видеоадаптеры VGA и SuperVGA (VGA - Video Graphics Array, Видеографическая матрица) занимают адресное пространство А000 - BFFF (128 Кбайт), видеоадаптер CGA (Color Graphics Adapter. Цветной графический адаптер) - адресное пространство В8000 - ВСООО (16 Кбайт) ит. д.

Операционная система - пакет программ, управляющих устройствами ком­пьютера и осуществляющих взаимодействие пользователя с компьютером и программ между собой, то есть обеспечивающих связь программ, аппаратуры и пользователя с целью достижения удобства управления компьютером и расши­рения его функциональных возможностей. Операционная система выполняет следующие функции: диагностики компьютера, управления вводом/выводом, работы с файлами, организации диалога с пользователем, защиты и т. д.

Известны командная неграфическая система (DOS - Disk Operating System, Дисковая операционная система) и графическая операционная система Win­dows. DOS - неграфическая операционная система, наиболее приближенная к аппаратуре компьютера, основная часть программ которой хранится на дис­ке, и использующая командную строку.

DOS выполняет символьные инструкции, вводимые в командную строку тек­стового экрана для запуска соответствующих программ. Кроме того, для удобства работы были разработаны специальные программы-оболочки (например, Norton Commander), которые позволяют исключить набор соответствующих сложных команд DOS, что облегчает и ускоряет работу пользователя на компьютере.

Windows - графическая операционная система, ориентированная на широ­кий круг пользователей и позволяющая значительно упростить их общение с компьютерами путем применения графических знаков (элементов изображе­ния) и стандартного (единообразного) подхода для работы с приложениями. Windows требует использования 4-8 и более Мбайт оперативной памяти. 4-10 и более Мбайт дисковой памяти. OS/2 - многозадачная операционная система 32-разрядных процессоров, поддерживаемая IBM.

Unix - многопользовательская, многозадачная, переносимая на большинство компьютеров операционная система с графической версией.

Буферы плат расширения области оперативной памяти, предназначенные для хранения данных, передаваемых от одного устройства компьютера другому.

Буферы используются для согласования скорости передачи информации между устройствами с разным быстродействием. Например, сетевые платы имеют буферы объемом от 8 Кбайт до 64 Кбайт, размещенные в адресном про­странстве оперативной памяти (процессора).

Контроллеры жестких дисков, некоторые видеоадаптеры и отдельные скане­ры содержат микросхемы постоянной памяти, которые хранят программы для управления вводом/выводом информации. Участок адресов памяти (диапазон от 640 Кбайт до 1024 Кбайт) в основном зарезервирован за памятью, размещен­ной в адаптерах и контроллерах периферийных устройств.

Расширенная память используется операционными системами Windows, OS/2, Unix.

Таким образом, можно отметить, что процессор на разных уровнях связан с несколькими типами памяти различного назначения (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема связи процессора с многоуровневой памятью

Каждая память имеет свое функциональное назначение, принцип построе­ния и технические характеристики. Наибольшим быстродействием обладает кэш-память, непосредственно связанная с процессором и берущая на себя ос­новную нагрузку по обслуживанию оперативной памяти. Память жестких дис­ков на сегодняшний момент времени имеет наибольшую емкость (больше, чем у оперативной памяти), но характеризуется меньшим быстродействием по сравнению с оперативной памятью. К постоянной памяти предъявляются вы­сокие требования по чтению информации с малым временем доступа.

В связи с необходимостью обрабатывать большие массивы информации трехмерных графических изображений в реальном времени видеопамять имеет относительно большую емкость и два канала доступа к ней. Первый канал необ­ходим для подключения процессора, а второй - видеоадаптера или графическо­го процессора.

Сменная память компакт-дисков приобретает все большее значение, особен­но с появлением многослойных DVD и развитием лазерной технологии.

Микросхемы КМОП (CMOS - Complementary Metal-Oxid Semiconductor, Ком­плементарный металлооксидный полупроводник) - тип интегральных схем, ко­торые характеризуются относительно высоким быстродействием, но потребля­ют небольшой ток и поэтому выделяют мало тепла.

КМОП память с резервным батарейным питанием используется для хране­ния параметров конфигурации компонентов компьютера, например жесткого диска, часов и календаря.

На рис. 1.5 представлена схема связи процессора и жесткого диска, которая обладает наибольшей длиной.

Рис. 1.5. Схема связи процессора и жесткого диска

Управление передачей данных между процессором и жестким диском осуществляет драйвер (программа) BIOS, являющийся частью операционной системы Windows.

Рис. 1.6. Упрощенная схема клавиатуры